Dirigenti in izolatorji: kaj so in zakaj so pomembni? (s grafikonom)

Da bi razumeli električna vezja in kako lahko ljudje napajajo vse, od luči v svojih hišah do električnih vlakov (in, vedno bolj sčasoma električni avtomobili), ki jih peljejo na delo, morate najprej razumeti, kaj je električni tok in kaj omogoča tok pretok.

Električni tok je posledica gibanja elektronov, ki so skoraj brezmasni subatomski delci, ki nosijo zelo zelo majhen negativni naboj. Ko slišite za "sok" (kot elektriko pogosto imenujejo), ki "teče" skozi napajalne žice ali vaš televizor, se to nanaša na pretok elektronov skozi žice v tokokrogu. Kovinske žice so posebej izbrane za prenos električne energije, ker imajo razmeroma nizkeelektrični upor​.

Elektroni lahko služijo kot medij za tokove, ker podobno kot kometi, ki krožijo okoli sonca na velikih razdaljah, obstajajo zunaj atomskega jedra kjer protoni in nevtroni "živijo" in so bistveno manj masivni kot jedrski delci (in protoni in nevtroni so sami po sebi strašno lahki prav).

Atomi različnih elementov se razlikujejo po masi, številu delcev in na druge inherentne načine ter po edinstvenosti konfiguracija vsakega atoma določa, ali gre za dober prevodnik, slab prevodnik (tj. izolator) ali kaj podobnega vmes.

Električni tok (ki ga predstavljajazin izmerjeno vamperovali A) je pretokelektrični naboj(označeno zqin izmerjeno vkulomiali C) v obliki elektronov skozi prevodni medij, kot je bakrena žica. Elektroni se gibljejo zaradi vpliva arazlika električnega potenciala (napetosti)med točkami vzdolž žice, doživljanjeodpornost(predstavljaRin izmerjeno vohmali Ω).

• Vso to fiziko je lepo zajelOhmov zakon​:

Po dogovoru ima pozitivni naboj blizu pozitivnega terminala ali naboja večji električni potencial kot na oddaljenih točkah, vse ostalo pa je enako. Napetost ima enote džuljev na kulon ali J / C, kar je energija na polnjenje. To je smiselno, ker je vpliv napetosti na naboje podoben vplivu gravitacije na mase.

Medtem ko lahko katero koli točko izberemo kot ničelno napetostno ali gravitacijsko potencialno energijsko točko, določena masa vedno izgubi gravitacijsko potencialna energija, ko se približuje Zemljinemu središču, pozitivni naboj pa vedno izgubi električno potencialno energijo (kar je lahko napisanoqE), ko se premika dlje od vira pozitivnega naboja.

Glede na to, kar ste vam predstavili, ste morda že ugotovili, da elektroni tečejo v nasprotni smeri pozitivne naboje in zato izgubljajo električni potencial med potekom kot trenutni elementi.

To je analogno klavirju, ki pade z neba in izgubi gravitacijsko potencialno energijo, ko se zapre na Zemljo (energija, ki se ohranja v obliki naraščajoče kinetične energije) in izgube energije zaradi trenja (toplote) zaradi zraka odpornost.

Ko si predstavljate, da se tok povečuje v žici, si predstavljajte, da se povečuje tudi število elektronov, ki prehajajo določeno točko, pri čemer velja enako za zmanjšanje toka.

• Naboj na enem elektronu je -1.60 × 10^-19 C, medtem ko je na protonu +1,60 × 10^-19 C. To pomeni, da traja (1 / 1,60 × 10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ (6 kvintiljonov) protonov samo zato, da predstavljajo 1,0 C naboja.

Kako enostavno se elektroni lahko premikajo skozi material, je odvisno od tega materialaprevodnost. Prevodnost, ki jo običajno označujemo z σ (grška črka sigma), je lastnost snovi, ki je odvisna od nekaterih notranjih značilnosti te snovi, od katerih so se nekatere že dotaknile.

Najpomembnejši je konceptprostih elektronov, ali elektroni, ki pripadajo atomu in ki lahko prosto "potujejo" daleč od jedra. (Upoštevajte, da "daleč" v atomskem smislu po običajnih standardih še vedno pomeni neverjetno kratko razdaljo.) Najbolj oddaljeni elektroni v katerem koli atomu se imenujejovalenčni elektroniin ko se zgodi, da je le eden izmed njih, tako kot pri bakru, se vzpostavi idealna situacija za "svobodo" elektronov.

Dobri vodniki električne energije omogočajo tok toka tako rekoč neovirano, medtem ko se na drugem koncu spektra dobri izolatorji temu toku upirajo. Večina vsakdanjih nekovinskih materialov je dobra izolacija; če ne, bi po dotiku običajnih predmetov nenehno doživljali električni udar.

Kako dobro se določen material obnaša, je odvisno od njegove sestave in molekularne strukture. Na splošno kovinske žice prenašajo električno energijo z relativno lahkoto, ker so njihovi zunanji elektroni manj tesno vezani na povezane atome in se zato lahko bolj prosto gibljejo. Kateri materiali so kovine lahko ugotovite tako, da si ogledate periodni sistem elementov, kot je tisti v virih.

• Beton, čeprav je precej manj prevodna snov kot kovine, kljub temu velja za vodnika v ravnotežju. To je pomembno glede na to, kako visok del svetovnih mest vsebuje beton!

• Upoštevajte izjavo "Večina prevodnih materialov ima različno odpornost pri različnih temperaturah"Ali je to res ali ne? Pojasnite svoj odgovor.

V vsakdanjem življenju je več izolacijskih materialov kot prevodnih materialov, kar je smiselno stroge zahteve za izolacijske materiale, da zgolj odstranijo resne nevarnosti iz vsakdanjega življenja procesov. Guma, les in umetna masa so povsod in zelo uporabni izolatorji; praktično vsi se naučijo prepoznati značilne oranžne cevi okoli podaljška.

Glede na znane nevarnosti mešanja električnih naprav in vode preseneti večino ljudi, ko izvejo, da je čista voda izolator. Voda, ki je dejansko sestavljena iz vodika in kisika brez nečistoč, je redka in jo je mogoče doseči le z destilacijo v laboratoriju. Vsakodnevna voda pogosto vsebuje zadostno število ionov (nabitih molekul), da "normalna" voda dejansko postane vodnik.

Kot bi lahko predvideli, imajo izolatorji materiale, katerih elementi imajo valenčne elektrone, ki so veliko tesneje vezani na jedro, kot je to pri kovinah.

​Upornostje merilo odpornosti materiala na pretok elektronov. Izmerjeno v ohm-m (Ωm), je konceptualno nasprotje in matematična inverzna prevodnost. Običajno ga označujemo z ρ (rho), zato je ρ = 1 / σ. Upoštevajte, da se upornost razlikuje od upora, ki jo (ali jo je mogoče) določiti s fizičnim manipuliranjem namestitve uporov v vezju z znanimi vrednostmi upora.

Upornost in upornost v žici sta povezani z enačbo:

kjeRin ρ so odpornost in upornost inLinAso dolžina in površina preseka žice. Izolatorji imajo vrednosti upornosti približno 10¹⁶ Ωm, kovine pa se prijavijo v območju 10^-8Ωm. Pri sobni temperaturi imajo vsi materiali določljivo stopnjo odpornosti, vendar je količina odpornosti v vodnikih majhna.

• Odpornost večine materialov je odvisna od temperature; pogosto se pri hladnejših temperaturah upor zmanjša.

Nekateri materiali dosegajo stanje 0 odpornosti pri dovolj nizkih temperaturah. Ti se imenujejosuperprevodniki. Na žalost doseganje potrebnih temperatur za superprevodnost - kar bi povzročilo skoraj neizmerljive svetovne prihranke energije po vsem svetu bi ga lahko razširili v obstoječo tehnologijo - od začetka 21. stoletja so v laboratoriju prekomerno težko dosegljivi nastavitve.